全球离散格网的建模方法及基本问题

全球离散格网(Discrete Global Grid,DGG)模型是数字地球及空间信息格网的基础,不同的建模方法不但影响空间数据的存储和管理效率,而且影响全球GIS的操作功能。该文介绍了DGG的评价标准,将DGG的建模方法归纳为3种类型:经纬度格网模型、自适应格网模型和正多面体格网模型,重点分析了不同类型球面离散格网模型的几何结构、单元特征和应用模式。最后,提出了DGG在Global GIS中亟待解决的基本问题,包括编码、精度、应用、误差、整合和定位问题。

基于球面DQG的矢量与地形数据无缝集成

现有的全球大规模空间数据可视化系统主要侧重于影像和地形数据的综合表达,针对矢量与地形的集成可视化能力相对较弱。该文以球面退化四叉树格网(Degenerate Quad-tree Grids,DQG)为基础,通过DQG格网的三角化过程构建了地表DEM模型,并提出了从矢量线对象到地形格网表面的映射方法。采用GTOPO30数据集和国界矢量数据进行了相关实验,结果表明:该方法能实现矢量数据与多分辨率DEM的无缝集成,并能有效地避免矢量对象"悬浮"和"入地"等现象。

基于GPU加速的SDOG并行可视化实验

球体退化八叉树格网(Spherical Degenerated Octree Grid,SDOG)及其三元组模型为全球变化及地球系统科学研究提供了一种地表及其内外空间统一表达与建模的全球空间数据模型。然而,现有SDOG模型可视化效率较低,难以满足全球模式下空间数据快速可视化的要求。该文采用GPU并行计算技术实现SDOG模型可视化加速。通过分析SDOG模型可视化过程的并行特征,选取格网码(C)解码及三元组渲染两个过程进行GPU并行化,分别利用数据并行及直接显存渲染策略实现GPU加速;设计了两组实验进行测试,结果表明:1)GPU并行对C解码过程具有明显的加速效果,且随数据量增长加速效果更加突出,加速比达15倍;2)受系统构建、数据传递等因素制约,GPU并行对C解码过程的加速效果与GPU性能呈正相关,但不呈正比;3)直接显存渲染优化策略可有效提高SDOG的GPU并行渲染效率,渲染速度可提高1.5倍。

地球系统空间格网及其应用模式

全球变化与地球系统科学研究涉及跨圈层、跨投影带的中-大-超大尺度问题,对全球地学信息系统(GGIS)、全球空间格网(GSG)及数字地球提出了新挑战。在剖析GSG研究现状的基础上,指出需从地球系统整体上设计一个多领域普适的全球三维空间格网———地球系统空间格网(ESSG),以支撑全球变化及地球系统科学研究。结合领域特点,提出了构建ESSG的8项基本要求,并基于球体退化八叉树格网(SDOG)设计并实现了一种满足该要求的SDOG-ESSG模型;介绍了SDOG-ESSG模型在地球系统空间数据集成、三维建模、多尺度表达、对象变化表达、数据检索与云服务、过程模拟及空间环境安全规划与可视化决策等方面的7种典型应用模式。

基于VisIt的全球科学数据并行可视化--以大气温度场为例

针对当前大规模全球科学数据可视化中存在的单机可视化数据量有限、从底层开发并行可视化系统难度大等问题,该文基于分布式环境和VisIt,提出了一种简便、开放而又有效的大规模全球科学数据可视化方法。介绍了VisIt的体系结构及运行机制,给出了自定义数据的并行可视化方法;并基于NCEP数据集及全球空间格网,在小规模集群环境下实现了小粒度适应性球体退化八叉树格网(SDOG)下的全球大气温度场的并行可视化。VisIt的并行可视化性能测试结果表明:通过增加计算节点,VisIt能有效摆脱传统单机可视化对数据量的限制,可实现大规模全球科学数据的并行可视化。

适应性球体退化八叉树格网及其编码方法

球体退化八叉树格网(SDOG)为具有经纬一致性、正交、粒度近似、非重叠、多层次性及多分辨率的三维全球空间格网(GSG),有望成为地球系统科学、全球GIS乃至数字地球的空间基础框架,但不便处理半径及球面维度上的分辨率非同步变化问题。该文在SDOG基础上沿某一方向进行独立递归细分,构建了一个能适应非同步变化的多分辨率的球体GSG———适应性SDOG,提出了其耦合退化Z(CDZ)曲线填充编码方法;并以NCEP提供的温度数据为实验,实现了基于适应性SDOG的全球大气温度场三维建模与可视化。结果表明:适应性SDOG具有更好的适应能力,能有效处理分辨率非同步变化问题,提高了SDOG作为全球空间基础框架的应用性能。

基于QTM的海平面上升分析与模拟

针对海平面上升影响范围分析与模拟这一国际前沿问题,通过研究基于球面四元三角网(QTM)的关键技术问题,包括复杂拓扑关系计算、LOD剖分、球面水淹分析、基于QTM的多分辨率的DEM数据组织方法和分析精度的相关性评定等,以.Net和Direct3D为开发工具,设计开发了基于QTM的海平面上升影响范围评估模型。该研究结果可为全球海平面上升影响的防灾减灾决策提供有效支撑,并推动了球面数据模型和球面格网拓扑分析的理论成果在全球变化预测相关领域的应用进展。

利用球体剖分瓦块构建真三维数字地球平台

全球离散网格是面向空间大数据的模型框架,常用于构建数字地球平台。基于球体的剖分瓦块不仅可以构建真三维的数字地球模型,而且可以实现天地一体化的空间数据集成、融合、表达和应用。本文详细论述了球体大圆弧QTM八叉树网格的剖分原理、网格几何特征分析和编解码方法等理论体系,并利用剖分瓦块实现了球体的任意分割以及地下、地表和空中实体的可视化建模。研究表明,球体QTM网格具有剖分规则简单、体系规整、几何特征明晰,适用性强等特点,尤其是可以推广到椭球。因而,该方案可用于天地一体化的空间数据的组织、管理与应用。

Hilbert曲线层级演进关系

网格编码代数是当前全球空间网格研究中的难点,也是推动全球空间网格从数据组织管理框架发展成为新一代空间分析模型的理论基础。Hilbert曲线是设计全球空间网格单元编码的重要工具。本文以Hilbert曲线序列码作为八叉树立体网格单元的唯一编码,由Hilbert曲线数学性质推导得到网格单元Hilbert码的层级演进关系表,进而设计了用于网格编码代数运算的若干操作算子,为构建全球空间网格分析理论与方法提供参考。

紧致的Hilbert曲线Gray码索引算法

Hilbert曲线具有良好的聚簇性,使其成为设计全球立体网格多维数据索引的重要工具。但当数据集在不同维度上的分布密度存在较大差异时,常规Hilbert曲线索引会出现大量的冗余。对此,本文基于Gray码推导分析了Hilbert曲线索引的构造特点,进而设计实现了紧致Hilbert曲线索引算法,在保持Hilbert曲线良好聚簇性的同时,避免了数据维度分布差异带来的索引冗余问题。试验结果表明,相比常规Hilbert索引,紧致Hilbert曲线索引计算复杂度相当,在实例数据测试中编码耗时减少约40%,索引存储空间减少约46%,排序速度约为Hilbert排序的4.3倍。

离散全球格网模型几何均匀性研究

在深入分析离散格网模型系统几何形变的研究现状与不足的基础上,提出了通过研究格网中单个结点与拓扑邻近结点间空间格局,对格网结点空间的均匀性进行评价的新的研究思路.提出了几种新的评价指标,包括邻近点间距离的最大值与最小值比值、邻近点间张角的最大值与最小值比值以及所有结点相互之间边长的标准差.采用上述指标,对6种代表不同类型的全球离散格网模型进行了研究,分析了各种格网模型结点均匀性的变化规律.

地球空间信息学的机遇

从地球空间信息产业和地球空间信息技术发展的前景两个侧面阐述了美国劳工部把地球空间技术与纳米技术、生物技术一起确定为新出现的和正在飞速发展中的三大最重要的技术的原因 ,并分别从时空信息获取、加工、管理和服务

基于球体退化八叉树的全球三维网格与变形特征

基于投影的度量空间变换为数字地球及数字区域建设带来了几何裂缝、投影变形等问题,解决问题的根本途径是摒弃投影,直接在球体流形空间建立统一的地球空间基础框架。该文将球面离散网格向球体内部扩展,基于球体退化八叉树提出一种全新的全球三维空间网格剖分方法——球体退化八叉树网格(SDOG)。SDOG具有多层次、多分辨率特性,且网格单元面积、体积变形稳定,可对包括地球在内的任意球体进行有序的多层次三维空间剖分,可为全球空间数据集成组织与检索、多层次空间建模与可视化、地球系统科学研究等提供统一的地球空间基础框架。

一种全球离散格网系统框架下的室内空间网格数据模型

针对室内外数据模型兼容性低,室内模型缺乏统一空间参考框架的问题,提出1种全球离散格网框架下的室内空间网格模型:室内模型通过引入全球离散格网系统(DGGS)作为坐标参考系统提供位置编码信息,并将DGGS作为模型的几何结构基础对室内空间离散化;然后以离散空间网格作为基本组织单元,对模型的类型系统进行设计;最后利用格网系统的层次结构与网格索引特性完成基于A*算法的室内路径规划。实验结果表明,该模型具有在统一框架下空间规划计算的可行性和有效性。

全球离散格网划分方法在空间数据组织中的应用

本文分析了全球离散格网系统的任意分辨率、层次性和全球连续性特征，指出基于其解决面向全球范围的多尺度、多时相、立体式的地理信息共享与服务的数据组织模型的可能性。结合应用方向比较了几种典型格网划分的优缺点，最终选定基于行列编码的四叉树和GeoSOT格网划分模型作为下一步实验的对象。

网格空间数据库副本管理研究

网格GIS的研究重点在于利用网格技术,基于空间数据库实现空间资源共享。网格环境下,用P2P模型解决副本管理问题,可增强系统的可伸缩性和动态性。在网格GIS中,逻辑层与物理存储层分离,采用水平非交叠分片策略,依照空间区域把逻辑层划分为物理片段层。网格GIS应用系统应用GT4部署和实现,在网格上使用JXTA协议建立虚拟网络覆盖层,实现由门户节点、聚合点和物理存储节点组成的层次型全局副本目录结构。为提高空间数据发布效率,采用三层分布式索引结构,物理片段层和逻辑层分别采用R-tree索引和四叉树索引,通过软状态协议维护副本目录的一致性,并讨论副本目录原型GridSRC的实现和性能评价。

基于地球剖分的空间信息区位标识

针对空间信息的区域范围和位置标识的统一性和多尺度性问题,基于2n一维整型数组的全球经纬度剖分格网（GeoSOT）框架提出了一种具有全球统一性、多尺度性和结构性的空间信息区位标识编码模型.该区位标识编码模型通过将球面固定格网剖分的空间定位、空间尺度、空间范围和空间结构集于一体的三元组（C0,M,N）来对同一地理对象的区域范围与位置、内部空间区域格网、空间点线面实体、空间属性信息、空间信息网络域五种区位信息进行统一描述与一致性表达.通过对区位标识编码定义、生成方法及应用方法的综合设计,可实现同一地理区域的多元空间信息之间形成一致性区位关联能力,为全球多元空间信息的统一管理和应用提供统一地理编码参考.

基于GIS的三维虚拟地球的研究与实现

越来越多的三维应用需要绘制椭球大地,以体现真实的地理环境。要构建一个三维地球,首先需要有能力对全球海量数据进行高效访问与处理;其次为了实现对全球地形与地物的快速绘制,在构造场景时必须对地球表面进行层级分块,以便只载入需要的地理数据并构造它们的场景;另外为了得到恒定帧速,构造新场景的工作应放进后台线程中。给出了一个基于GIS的三维虚拟地球的系统设计,对其中的关键技术作了重点讨论,实现了一个原型系统TerraGlobe。

全球离散格网:回顾与展望(英文)

全球离散格网是数字球体表达的基本数据模型,它提供了一种栅格化表达地球弯曲表面的方法,催生了数字地球。该文回顾全球离散格网与数字地球的发展史,评析了以谷歌地球为代表的第一代数字地球的技术实现。在为科学界及社会公众提供地表与近地表信息交流方面,数字地球的有效性面临挑战,第一代数字地球在很多方面存在不足,其中最显著的缺陷是不能基于社会与环境过程模型模拟地球的将来状态。展望未来,简要分析了下一代数字地球应具有的基本特征。

基于全球剖分网格的空间数据全文检索方法

目前,国内外不同部门的空间数据管理系统彼此独立,数据共享检索效率低。针对此问题,本文提出了一种基于全球剖分网格的空间数据全文检索方法。该方法描述了基于全球剖分网格原理,根据地理空间实体的区位信息建立全球唯一的空间区位标识编码,通过全文索引引擎对空间区位标识编码建立全文索引,实现对地理空间数据的检索。通过对比试验可知,在大数据量的时候,基于全球剖分网格的空间数据全文检索方法比基于B+树的传统关系型数据库检索效率高,在海量空间数据的检索上具有一定应用价值。